脉冲式磁控溅射5
脉冲磁控溅射电源控制策略的研究
脉冲磁控溅射电源控制策略的研究
磁控溅射（Pulsed-Magnetron-Sputtering, PMS）是一种广泛用于制造器件和材料表
面的表面改性技术。
它的工作原理是通过磁界控制低能量的离子流将受控环境中的原料沉
积到表面上。
然而，磁控溅射电源控制已成为一种普遍的挑战，这是因为它具有较复杂的
动态特性。
一种用于调节磁控溅射电源的策略是示波器调节（VTA）。
在VTA中，将电压
引入脉冲器，以产生所需要的搅驱脉冲。
然后，通过控制示波器振幅，可以改变冷却时间，从而控制溅射脉冲的宽度。
然而，VTA有一些缺点，即需要建立有限状态机（FSM）。
由于溅射反应的复杂性，电压引入FSM可能导致脉冲宽度和重复率的不一致，其可能会严重影响PMS表面覆盖物的性能。
为了改善这种情况，研究人员提出了一种具有三种不同模式的脉冲磁控溅射电源控制
策略。
由于策略使用了四极杆控制，因此可以同时实现高精度控制和被动控制。
由于策略
的参数可以有效地调节脉冲宽度和重复率，因此可以实现良好的性能。
在实验中取得了良
好的结果，并证明该策略具有很好的实际操作性能。
因此，脉冲磁控溅射电源控制策略是有效的，可以有效控制PMS表面覆盖物的性能。
这种控制策略可以有效改变脉冲宽度和重复率，可以有效控制被动响应，也可以有效改善
磁控溅射电源的性能。
使用这一策略，可以使得表面覆盖物具有良好的均一性和稳定性，
它也可以有效帮助制造器件和材料表面改性技术发挥最大效用。
高功率脉冲磁控溅射 涂层结合力
高功率脉冲磁控溅射涂层结合力
高功率脉冲磁控溅射（High Power Pulsed Magnetron Sputtering，HPPMS）是一种溅射技术，通过在溅射过程中加入高功率脉
冲电源来实现。
这种溅射技术具有较高的离子密度和能量，可以在涂层表面形成致密、紧密的结构，从而提高涂层的结合力。
涂层的结合力主要取决于多个因素，包括基材表面质量、溅射功率和能量、靶材的性质以及溅射气体的种类等。
HPPMS溅
射技术通过增加脉冲功率，在溅射过程中产生更多的离子和高能量离子，这些离子能够更好地击打基材表面并在涂层表面形成更致密的结构。
由于这种结构的致密性，涂层与基材之间的结合力也会增强。
此外，HPPMS溅射技术还可以提供更高的脉冲频率和较长的
脉冲宽度，从而使得离子在溅射过程中能更好地扩散到基材表面并形成更为均匀的涂层结构。
这也有助于提高涂层与基材之间的结合力。
总而言之，高功率脉冲磁控溅射技术通过产生高能量离子和形成致密的涂层结构，可以显著提高涂层的结合力。
这种溅射技术在应用上具有很大的潜力，可以用于增强材料表面的性能和提高涂层的质量。
磁控溅射
磁控溅射百科名片磁控溅射是为了在低气压下进行高速溅射，必须有效地提高气体的离化率。
通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率的方法。
工作原理磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。
在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E（电场）×B（磁场）所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。
若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar 来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。
随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。
由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。
磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。
入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。
在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。
种类磁控溅射包括很多种类。
各有不同工作原理和应用对象。
但有一共同点：利用磁场与电场交互作用，使电子在靶表面附近成螺旋状运行，从而增大电子撞击氩气产生离子的概率。
所产生的离子在电场作用下撞向靶面从而溅射出靶材。
靶源分平衡和非平衡式，平衡式靶源镀膜均匀，非平衡式靶源镀膜膜层和基体结合力强。
平衡靶源多用于半导体光学膜，非平衡多用于磨损装饰膜。
磁控阴极按照磁场位形分布不同，大致可分为平衡态和非平衡磁控阴极。
平衡态磁控阴极内外磁钢的磁通量大致相等，两极磁力线闭合于靶面，很好地将电子/等离子体约束在靶面附近，增加碰撞几率，提高了离化效率，因而在较低的工作气压和电压下就能起辉并维持辉光放电，靶材利用率相对较高，但由于电子沿磁力线运动主要闭合于靶面，基片区域所受离子轰击较小.非平衡磁控溅射技术概念，即让磁控阴极外磁极磁通大于内磁极，两极磁力线在靶面不完全闭合，部分磁力线可沿靶的边缘延伸到基片区域，从而部分电子可以沿着磁力线扩展到基片，增加基片区域的等离子体密度和气体电离率.不管平衡非平衡，若磁铁静止，其磁场特性决定一般靶材利用率小于30%。
磁控溅射工作原理
磁控溅射工作原理
磁控溅射（Magnetron sputtering）是一种常用的薄膜制备技术，其中利用磁控电子束加速器和靶材的相互作用实现。
在磁控溅射过程中，会有一种称为靶材的材料被置于真空腔室中。
通常，该靶材是被称为电子束阴极的磁控源。
真空腔中放置有基板，它是需要被涂层的目标表面。
为了开始溅射过程，通过引入工作气体（如氩气）使真空腔压力降至非常低的级别，通常为10^-6至10^-3毫巴（1毫巴
=100帕）。
然后，在靶材上施加直流或脉冲电源，产生磁场
和电子束。
这些电子束击中靶材表面，加速释放出的离子，将其溅射到基板上，从而形成薄膜。
靶材上的电荷量形成一个环状的磁场，这被称为靶材区域。
这种磁场的存在使能够将带有正电荷的离子定向到工作表面。
此外，电子束在该磁场中被定向，从而形成一个环绕靶材的螺旋形低密度电子云。
这是通过磁透镜形成的，它将电子束束缚在靶材区域。
当电子束和磁场共同作用时，电子与标靶表面相互作用，启动了溅射过程。
在这个过程中，束流的动能转移到靶材的原子、离子和中性气体原子上，使它们从靶面溅射到基板上，从而形成薄膜。
磁控溅射技术具有可控性、均匀性和高质量的优势，可用于各种领域的薄膜制备，如光学、电子器件、显示器件等。
通过调
整靶材、工作气体、工作压力和溅射时间等参数，可以实现所需的薄膜特性。
磁控溅射原理
Making the IMPOSSIBLE possible
三种磁控溅射对比
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DC
MF
RF
电源价格
便宜
一般
昂贵
靶材
圆靶/矩形靶 平面靶/旋转靶 实验室一般用圆平面靶
靶材材质要求
导体
无限制
无限制
抵御靶中毒能力
弱
强
强
靶材利用率
15％ / 30％
30％ / 70％
应用
金属
金属/化合物 工业上不采用此法
易打弧，不稳定 工作稳定，
在反应溅射中要严格 无打弧现象， 控制反应气体流量 溅射速率快
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
Al背电极工艺参数
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制备方法的选择：采用DC溅射铝平面矩形靶
工艺参数： • 本底真空2~3×10-3Pa
• 工作气压～0.3~0.6 Pa
射频辉光放电
在一定气压下，在阴阳极之间施加交流电压，当其频率增高到射频频率时即可 产生稳定的射频辉光放电。
射频辉光放电在辉光放电空间中电子震荡足以产生电离碰撞的能量，所以减小 了放电对二次电子的依赖，并且能有效降低击穿电压。
射频电压可以穿过任何种类的阻抗，所以电极就不再要求是导电体，可以溅射 任何材料，因此射频辉光放电广泛用于介质的溅射。
815－TCO
让不可能成为可能
Making the IMPOSSIBLE possible
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outline
磁控溅射原理 磁控溅射分类 直流平面靶溅镀Al电极 中频旋转靶溅镀ZAO和ITO
让不可能成为可能
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大功率脉冲磁控溅射器原理
大功率脉冲磁控溅射器工作原理说起这个大功率脉冲磁控溅射器（我们四川人喊的“高功率脉冲溅射机子”），它的工作原理还是相当有讲究嘞。
这个机子，它主要是靠高功率的脉冲电源来工作。
晓得啥子叫脉冲电源不？就是那种短时间内能够给出大功率的电。
这种电源，它在一个周期里头，有正电压和负电压两个阶段。
在负电压阶段，电源就开始溅射靶材，把材料喷到要镀的物件上。
而在正电压阶段，就引进电子，把这些累积在靶面上的正电荷给中和掉，还能把靶面清洁干净，露出金属本色。
这个高功率脉冲电源，它的好处可不少。
因为脉冲时间短，所以能在极短时间内给出极高的功率，产生大量的离子和电子，让等离子体密度大大提高。
这样一来，溅射出来的材料就更多，而且质量也更好，能形成致密均匀的薄膜。
而且，这个机子还能调节脉冲参数，比如脉冲持续时间、间隔时间和峰值功率这些，来控制等离子体的密度和能量分布。
这样一来，就能根据不同的需要，来优化薄膜的沉积过程。
另外，这个机子里头还有磁场，能增强电子在靶材表面的运动，提高溅射效率。
还有真空腔体，提供低压环境，让等离子体稳定运行。
再加上精确的气体流量控制系统和基片加热系统，就能让薄膜的质量和性能更上一层楼。
所以说，这个大功率脉冲磁控溅射器，它的工作原理是相当复杂和精妙的。
通过调节各种参数，就能实现高质量的薄膜沉积，这在工业上可是大有可为嘞。
广州脉冲磁控溅射分类
广州脉冲磁控溅射分类
1. 直流磁控溅射：使用直流电源将陶瓷靶材中的粒质喷溅到基板上。
2. 隧道磁控溅射：在陶瓷靶材和基板之间设置隧道，使靶材中的粒子通过隧道穿过基板表面。
3. 磁场过渡溅射：通过改变磁场的方向和强度来调节溅射生成的粒子运动轨迹和击中基板的位置。
4. 自组装式磁控溅射：利用表面活性剂等物质在溅射过程中自组装成固定形状，生成具有特定结构和性质的薄膜。
5. 双离子束溅射：利用两个离子束同时轰击靶材，可提高薄膜的质量和均匀性。
6. 多极磁控溅射：使用多极磁场来调节溅射过程中的粒子运动轨迹，使生成的薄膜更加均匀。
脉冲磁控溅射电源控制策略的研究
脉冲磁控溅射电源控制策略的研究脉冲磁控溅射技术是一种目前广泛应用于世界各地的技术，着重于利用脉冲形式的磁场来控制电子束的移动，从而使电子束精准地溅射到目标表面，实现目标表面层的改变。
然而，由于技术的复杂性以及脉冲磁控溅射电源控制策略的多样性，为了增强精确性和准确性，需要对系统进行全面的控制和管理。
本文旨在研究不同脉冲磁控溅射电源控制策略，为实际应用提供更好的支撑。
通常情况下，利用脉冲磁控溅射的处理过程，会分为三个部分：1.对电子束的控制；2.对溅射材料的控制；3.对表面质量的控制。
在这三个部分中，电子束的控制是最重要的一部分，因为它关系到电子束的精准溅射、溅射效率和表面质量。
具体而言，在脉冲磁控溅射过程中，常用的电子束控制策略有：磁场控制、脉冲频率控制、温度控制等。
磁场控制是脉冲磁控溅射最常用的电子束控制策略，利用磁场产生脉冲样式，从而改变电子束移动的方向，使之能精准溅射到目标表面。
然而，需要注意的是，磁场控制的精度受制于磁场中的梯度，梯度越高，精度越高。
同时，也可以通过调整磁场的参数，如梯度、频率和时间等，来调节电子束的方向和溅射量，从而改变溅射表面的质量和效率。
脉冲频率控制是由脉冲发生器进行的，其基本原理是调节发生器输出的脉冲波形和频率，以改变电子束的方向、数量和动能，从而改变溅射表面的质量和效率。
脉冲频率控制的优点在于可以控制电子束的溅射量，能够较好地控制表面的质量和效果，而且这种控制策略的时间和效率相对较高。
温度控制是另外一种有效的电子束控制策略。
这种策略利用温度的变化通过改变器件内部的能量，来改变电子束移动方向、数量和动能，从而改变溅射表面的质量和效率。
温度控制的优点在于可以控制电子束的溅射量，并能够有效地控制表面的质量和准确性。
另外，针对溅射材料的控制，通常会采用质谱仪或其他物理检测仪来检测其质量。
为了获得最佳的溅射表面质量，需要留意以下几点：１．溅射材料的晶体结构；２．溅射材料的温度；３．材料的晶体结构和晶格结构；４．材料的原子结构和晶体结构。
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High Power Pulsed Plasma Magnetron Sputtering Technique
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Commercialization Package
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Q&A
High Power Pulsed Plasma Magnetron Sputtering Technique
Provides Support and Consultancy Service to Industrial in High power Pulsed Magnetron Sputtering Technique.
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Hale Waihona Puke Commercialization Package
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Q&A
Technology
Existing traditional PVD coating problem Arc evaporation method makes rough surface up to 0.5um coating thickness. The formation of large droplet. Exist residual stress. Can not deposit coating more than 2um thickness.
One –stop solution for client.
Service from feasibility study, design, development, setup, experiment and production.
Content
1
Background
2
High Power Pulsed Plasma Magnetron Sputtering Technique
Technology
Advantage of High Power Pulsed Plasma Magnetron Sputtering Technique
Relatively low plasma working process temperature. High ionization rate (> 90%). Target utilization is high, good sputtering uniformity. Can apply to complex substrate shape Based on the existing PVD machine for modification. Low friction coefficient
field
Ar ion Ar neutral Metal ion Metal neutral
1. High plasma density (~ 1019cm3) 2. High ionization ratio (0.5-0.7 3. Metal ion-based 4. It is difficult to control the electric
Technical Details
CMS
Comparison of Conventional PVD (CMS) and HPPMS
HPPMS
Material
Material
Ar
Ar
Vacuum
Vacuum
Substrate
Substrate
1. Low plasma density (~ 1016cm3) 2. Low ionization ratio (<0.1) 3. Mainly neutrals 4. It is difficult to control the electric
High Power Pulsed Plasma Magnetron Sputtering Technique
Yick Man Lung Engineer Smart Manufacturing & Materials Division
Surface Technology & Materials Analysis
Technology
• 電源（Power supply)
– 直流（DC); – 中頻（Mid Frequency); – 射頻（RF); – 脈衝直流（pulsed DC); – 脈衝（pulse);
• 工藝（Process）
– 非反應式磁控濺射； – 反應式磁控濺射（Reactive Sputtering).
Technology
The characters of HPPMS
High energy pulse sputtering Peak power (~ 1MV) is much larger than other sputtering (~ 5%) duty cycle less than conventional sputtering method High ionization rate (50-90%) Similar to the average general sputtering power and current
Sensors Technology 微型製造及 傳感器技術
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High Power Pulsed Plasma Magnetron Sputtering Technique
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Commercialization Package
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Q&A
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Technology
Energetic Deposition
Pulse Power
Magnetron Sputtering
HPPMS
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高能量脉衝式磁控濺射
直流電源 DC Power
Supply
L 電感 C 電容
開關 Switch
脈衝式磁控濺射系統示意圖
磁控靶 真空腔
表面處理及材料分析
R&D Support 研發支援
Surface Finishing 表面處理
Technology Upgrade & Commercialization 技術升級與商品化
Materials Analysis 材料分析及測試
Products realization 產品實現
Micro Fabrication &